高等機構(gòu)學(xué)第八章-仿生機構(gòu)學(xué)課件

1、、仿生學(xué)的研究內(nèi)容第八章 仿生機構(gòu)概述8-1 概述仿生學(xué)的主要研究內(nèi)容有：1電子仿生： 模仿動物的腦和神經(jīng)系統(tǒng)、感覺器官、細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞間通信、動物間通信等 研制人工神經(jīng)元電子模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、高級智能機器人、電子蛙眼、鴿眼雷達(dá)系統(tǒng)以及模仿蒼蠅嗅覺系統(tǒng)的高靈敏小型氣體分析儀等。 2控制仿生：模仿動物體內(nèi)穩(wěn)態(tài)調(diào)控、肢體運動控制、定向與導(dǎo)航等;研制蝙蝠和海豚動物的超聲波回聲定位系統(tǒng)、蜜蜂等生物的“天然羅盤”、鳥類和海龜?shù)葎游锏男窍髮?dǎo)航、地磁導(dǎo)航和重力場導(dǎo)航系統(tǒng)等。3機械仿生：模仿動物的走、跑、飛、游等運動，運用機構(gòu)設(shè)計和力學(xué)原理，研制各種步行、操作等機械裝置，尋求機器人、車輛、艦船、飛行器的最佳設(shè)計原

2、理與方法。機械仿生是本章重點介紹的內(nèi)容，也是仿生機構(gòu)學(xué)的主要任務(wù)。5醫(yī)學(xué)仿生： 包括人工臟器的研制、生物醫(yī)學(xué)圖像識別以及醫(yī)學(xué)信號的分析處理等。4化學(xué)仿生： 模仿光合作用、生物合成、生物發(fā)電、生物發(fā)光等。仿生學(xué)與機械學(xué)相互交叉、滲透，就構(gòu)成了仿生機械學(xué)。 6其它類仿生： 研究建筑仿生（蜜蜂蜂巢的六邊形結(jié)構(gòu)）、農(nóng)業(yè)仿生等。 二、仿生機構(gòu)模仿生物的運動形態(tài)、生理結(jié)構(gòu)和控制原理,設(shè)計制造出功能更集中、效率更高、應(yīng)用范圍更加廣泛并具有生物特征的機構(gòu)，仿生機構(gòu)是仿生機械中完成機械運動的物質(zhì)載體，是仿生機械的重要組成部分。仿生機構(gòu)學(xué)的主要研究課題有：擬人機械手、步行機構(gòu)、假肢，以及模仿鳥類、昆蟲和魚類等生物

3、的各種機構(gòu)。 機器人是仿生機構(gòu)的重要應(yīng)用領(lǐng)域，現(xiàn)在各國都在大力開展機器人技術(shù)的研究。 8-2 仿生機構(gòu)的生物運動學(xué)基礎(chǔ)1 、兩足步行動作的運動機理與分析一 、步行運動機理與分析足端運行軌跡的測定與分析大腿相對股骨關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度小腿相對膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度足底運動 足底著地，足底平放，足底推離兩腿交替運動的人體重心穩(wěn)定問題人體質(zhì)心的上下移動加速度，導(dǎo)致足底受力Fz的值會大于或小于體重。足端軌跡落地相抬腿相抬腿相人類兩足步行鳥類兩足步行人類兩足步態(tài)的進化為什么與鳥類兩足步行不同2、 四足走行動作的運動機理與分析四足步行相：三足著地，四足的交替運動順序小跑相：三足著地與二足著地交替進行跑相：三足著地、二足著

4、地、單足著地交替進行后腿前腿前腿與后腿彎曲差別人類模仿四足走行動作，臂和腿的彎曲角度與動物正好相反腿臂手腳頭人類模仿四足走行3 、多足走行動作的運動機理與分析6 足步行動作的運動機理與分析8 足步行動作的運動機理與分析多足步行動作的運動機理與分析螞蟻、蟑螂、蝗蟲等昆蟲為6足步行生物螃蟹、蜘蛛等蜈蚣、菜青蟲等4足步行動作的運動機理與分析貓科、犬科、食草類等大量動物都是4足動物二 、昆蟲翅翼動作的運動機理與分析三 、爬行動作的運動機理與分析身體發(fā)生蠕動和撓曲運動 四 、魚類動作的運動機理與分析身體的擺動和鰭運動能產(chǎn)生推進力8-3 仿生與機構(gòu)一 、步行仿生機構(gòu)二足步行機構(gòu)二足步行機構(gòu)單足步行機構(gòu)細(xì)節(jié)

5、四足步行機構(gòu)八足步行機構(gòu)六足步行機構(gòu)(a) 初始時 (b)跨步 (c)前進 (d)準(zhǔn)備 (e)跨步 (f)前進微型六足仿生機器人步態(tài)示意圖二 、飛行仿生機構(gòu)1、通常采用閉環(huán)機構(gòu)而不是開環(huán)機構(gòu)2、仿生變異機構(gòu)：飛機機翼的仿生三、 爬行仿生機構(gòu)四 抓取仿生機構(gòu)抓取機構(gòu)的仿生對象通常為人體上肢和人手。1、 人體上肢的機構(gòu)模型人體上肢的機構(gòu)模型gong2 、擬人手指的機構(gòu)模型由平面六桿機構(gòu)組成 R1、R2、R3分別表示了手指的第一、二、三指節(jié)R1為主動桿。3 仿生機械手的機構(gòu)模型仿生機械手為具有類似人類手的機能 五指夾持四指夾持三指夾持回轉(zhuǎn)式機械手指 連桿傳動式機械手指內(nèi)孔夾持式手指齒輪傳動機械手指 在仿生機械手的設(shè)計中，有時需要手臂連同在一起考慮。仿生機構(gòu)設(shè)計構(gòu)思1、可動關(guān)節(jié)用球面副或轉(zhuǎn)動副代替2、肢體用構(gòu)件代替3、肌肉為構(gòu)件運動的驅(qū)動